提高加熱爐熱效率控制系統(tǒng)的設計與應用

葛延峰（大慶油田有限責任公司第五采油廠）

提高加熱爐熱效率控制系統(tǒng)的設計與應用

葛延峰（大慶油田有限責任公司第五采油廠）

隨著油田降溫集油工作的大面積推廣，以及加熱爐運行年限的延長，加熱爐一般都出現(xiàn)負荷率較低、熱效率下降等問題，采取對加熱爐煙道出口安裝煙氣含氧量、排煙溫度及爐膛負壓檢測控制系統(tǒng)等節(jié)能措施來監(jiān)控加熱爐運行狀態(tài)，并且與現(xiàn)有的DCS（Distributed ControlSystem集散控制系統(tǒng)）控制相結(jié)合研發(fā)出一套基于預測控制思想、吸收操作人員多年操作經(jīng)驗的先進控制軟件，對加熱爐工藝參數(shù)進行控制，實現(xiàn)了熱效率的在線優(yōu)化及節(jié)能降耗，減少了環(huán)境污染。

加熱爐 熱效率 先進控制 節(jié)能降耗

隨著油田的不斷開發(fā)，建設規(guī)模、集輸半徑越來越大，能耗也隨之不斷增加。近年來，油田生產(chǎn)用氣逐年增加，而加熱爐是主要的能耗設備，其耗氣占總耗氣的90%以上。目前采油五廠加熱爐平均熱效率為75%，低于國家標準82%~85%。因此，采取節(jié)能措施，提高加熱爐熱效率，減少加熱爐耗氣，對實現(xiàn)節(jié)能降耗至關重要。

1 提高加熱爐熱效率的幾種控制方法

1.1 煙氣含氧量檢測控制系統(tǒng)

在燃燒過程中，實際供給的空氣量V與理論需要的空氣量V0之比稱為過量空氣系數(shù)a，即a＝V／V0。加熱爐爐膛出口過量空氣系數(shù)每增加0.01，排煙溫度將升高約1.3℃，因此，a值對加熱爐的熱效率有著直接的影響。

當過量空氣系數(shù)過大時，將會增大送、引風機的用電消耗；而且由于過剩空氣是在排煙溫度下排入大氣的，所以排煙溫度越高，過?？諝鈳ё叩臒崃恳苍蕉?，熱量損失也越大，加熱爐效率也越低；同時過大的過量空氣系數(shù)還會加速爐管和爐內(nèi)構(gòu)件的氧化，不但影響設備使用壽命，而且還提高對流室內(nèi)SO2向SO3的轉(zhuǎn)化，從而加劇低溫露點腐蝕。

當過量空氣系數(shù)過小時，將會使燃料燃燒不完全，造成大量的化學能未釋放而浪費燃料，同樣能導致熱效率的下降；而且還會生成大量的CO、H2和炭粒等污染空氣的物質(zhì)；同時還會導致爐內(nèi)結(jié)焦，增加受熱面積灰的風險，這不但影響了傳熱效果，而且還增加了煙氣側(cè)的流動阻力，金屬腐蝕物和積灰還會堵塞通路。

因此，為了提高加熱爐熱效率，同時降低燃料使用量，必須選取合適的過量空氣系數(shù)。

在加熱爐煙道出口安裝煙氣含氧量檢測控制系統(tǒng)，主要目的就是根據(jù)在線實時檢測煙氣中的含氧量反饋來的信息實時調(diào)節(jié)給風門的開度，以確定合理的過量空氣系數(shù)。

該系統(tǒng)包括檢測、控制和執(zhí)行三個部分。

1.2 排煙溫度檢測控制系統(tǒng)

排煙損失在加熱爐的熱損失中占很大的比例。一般情況下，排煙溫度每升高17~20℃，

加熱爐的熱效率下降1%左右。當加熱爐的熱效率較高（如90%）時，排煙損失占總損失的70% ~80%；當加熱爐的熱效率較低（如70%）時，排煙損失占總損失的90%，因此降低排煙溫度是提高加熱爐熱效率的主要措施。

在加熱爐煙道出口安裝溫度表在線實時檢測排煙溫度，可以根據(jù)排煙溫度的變化來調(diào)節(jié)煙道擋板的開度，來控制煙氣的換熱時間；也可以根據(jù)排煙溫度的變化控制火焰燃燒中心的高度，如果排煙溫度過高，可以采取讓燃燒器位置盡量下移，或使燃燒器噴嘴向下傾斜等方法，降低火焰中心位置，增加燃料在爐膛內(nèi)的停留時間，即增加了輻射傳熱時間。

而且還可以根據(jù)排煙溫度變化趨勢來判斷爐管結(jié)垢情況，來判斷是否需要對加熱爐進行爐管清洗、除垢或吹灰，來提高對流換熱效率。同時還可以根據(jù)排煙溫度來調(diào)整加熱爐的運行狀態(tài)，防止因排煙溫度低于露點溫度導致煙管露點腐蝕的發(fā)生。一般情況下，露點腐蝕溫度在120~150℃之間。所以，加熱爐的排煙溫度盡量控制在160~180℃為宜，低于160℃時易出現(xiàn)露點腐蝕，降低了煙管的使用壽命；高于180℃時排煙溫度又過高，煙氣帶走的熱量大，浪費燃料，使加熱爐的熱效率降低。

通常利用排出的高溫煙氣對空氣進行預熱來提高進入爐膛的空氣溫度，同時又降低了排煙溫度，這樣可以提高加熱爐的熱效率。但是最好限制最低排煙溫度，防止露點腐蝕的發(fā)生。當空氣預熱溫度每提高20℃，加熱爐的熱效率可提高1%。

值得注意的是，不能對空氣溫度進行無限制的提高。一般預熱空氣溫度不易超過300℃，否則，隨著空氣溫度的提高，燃燒產(chǎn)物中的NOx（No和NO2）會相應增加，污染周邊環(huán)境。另外，空氣溫度過高還可能引起火嘴結(jié)焦和燃燒器發(fā)生變形等問題。

1.3 爐膛負壓檢測控制系統(tǒng)

在加熱爐煙道出口安裝壓力計在線實時檢測爐膛負壓?？梢愿鶕?jù)爐膛負壓的大小來調(diào)節(jié)煙道擋板的開度，使爐膛負壓保持在稍低于爐外大氣壓20~ 40Pa。如果爐膛負壓過小，爐內(nèi)進入的空氣量就很少，會使燃料燃燒不完全，加熱爐熱效率下降，煙囪冒黑煙，爐膛不明亮，甚至往外噴火，可能造成回火傷人事故，此時應該增大煙道擋板的開度；如果爐膛負壓過大，會加速爐膛內(nèi)氣體的流動速度，減少換熱時間；同時會吸入爐膛內(nèi)更多的冷空氣，降低爐膛溫度，造成煙氣中過?？諝饬吭黾樱黾訜釗p失，降低了加熱爐熱效率，這時應該減小煙道擋板的開度。

加熱爐的爐膛負壓與負荷率和煙囪抽力有關。負荷率與爐膛負壓成反比，即負荷率高的時候，爐膛負壓會變小；負荷率低的時候，爐膛負壓會變大。

根據(jù)煙囪抽力公式h抽=H（γ空-γ氣）可知，影響煙囪抽力的大小主要是煙囪高度H，空氣重度γ空,煙氣重度γ氣。

1）高度H的影響：H愈大，即煙囪愈高，抽力愈大；H愈小，即煙囪愈低，抽力愈小。

2）空氣重度γ空的影響：在H、γ氣不變的情況下，γ空愈大，即外界空氣溫度愈低，抽力愈大。同是一個煙囪，在煙道擋板開度一樣的情況下，冬天的抽力比夏天大，晚上的抽力比白天大，這就是因為冬天、晚上外界空氣的溫度比夏天、白天低，所以γ空比較大。

3）煙氣重度γ氣的影響：在H、γ空不變的情況下，煙氣重度γ氣愈大，即煙氣溫度愈低，抽力愈?。粺煔庵囟圈脷庥?，即煙氣溫度愈高，抽力愈大。

由于大慶地區(qū)春、秋季風力相對較大，煙囪周圍空氣流動速度快，空氣溫度相對較低，空氣重度γ空大，因此煙囪抽力大，應該減小煙道擋板開度，防止爐膛負壓過大。反之，冬、夏季風力相對較小，應該增大煙道擋板開度，防止爐膛負壓過小。

2 控制系統(tǒng)的設計與應用

2.1 優(yōu)化控制的目標和功能設計

該系統(tǒng)采用加熱爐先進控制與熱效率優(yōu)化技術(shù)軟件，將節(jié)能指標納入控制器設計的控制策略，實現(xiàn)對加熱爐出口溫度的快速穩(wěn)定控制，對燃料流量和空氣流量綜合控制；實現(xiàn)加熱爐熱效率的在線優(yōu)化，節(jié)約了燃料，保障后續(xù)生產(chǎn)的平穩(wěn)運行。

2.1.1 優(yōu)化控制系統(tǒng)基本功能設計

對加熱爐的控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，在保證所需要的熱負荷前提下，確保被加熱介質(zhì)的控制指標（如被加熱水的出口溫度）滿足要求，同時，還要使加熱爐的熱效率最高、空氣污染最小、各支路進料平衡穩(wěn)定。

熱負荷控制：根據(jù)熱負荷平衡原理來控制燃料量，首先要保證被加熱介質(zhì)的控制指標滿足工藝生產(chǎn)要求；其次盡量降低過量空氣系數(shù)，但要使燃料充分燃燒，且燃燒所釋放的有效熱量應該等于加熱爐的熱負荷。

熱效率優(yōu)化：研究加熱爐熱效率實時最優(yōu)的優(yōu)化方法，通過自動調(diào)節(jié)鼓風機變頻、含氧量檔板開度、煙氣檔板開度，來控制加熱爐內(nèi)的含氧量和爐膛負壓，盡可能降低加熱爐的空氣量，減少加熱爐的熱損失，提高熱效率。

加熱爐各支路進料平衡控制：利用工人操作經(jīng)驗，應用預測控制技術(shù)，控制各支路進料平衡穩(wěn)定，實現(xiàn)加熱爐的安全運行與節(jié)能降耗。

2.1.2 先進控制軟件

在加熱爐先進控制中使用的軟件是“加熱爐先進控制與熱效率優(yōu)化技術(shù)軟件”，該軟件主要有四部分組成：在線監(jiān)控軟件、實時數(shù)據(jù)庫軟件、通訊軟件和加熱爐控制組態(tài)軟件。

2.1.3 DCS系統(tǒng)OPC技術(shù)

先進控制軟件和DCS系統(tǒng)的連接采用了OPC（ObjectLinkingandEmbeddingforProcessControl）技術(shù)。通過OPC，建立了一套符合工業(yè)控制要求通信接口規(guī)范，使控制軟件可以高效、穩(wěn)定地對硬件設備進行數(shù)據(jù)存取操作，系統(tǒng)應用軟件之間也可以靈活地進行信息交互，提高了控制系統(tǒng)的互操作性和適應性。

2.2 優(yōu)化控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

針對油田生產(chǎn)摻水、熱洗、脫水、外輸、工藝伴熱中各個加熱爐現(xiàn)有的常規(guī)PID（調(diào)節(jié)器控制分為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制）控制方案，按照先控思想設計了加熱爐控制方案。

先進控制系統(tǒng)使用了預測控制技術(shù)，采用“模型預測、反饋校正、有限時域滾動優(yōu)化”預測過程模型的控制算法，根據(jù)過程的歷史信息判斷將來的輸入和輸出。即“根據(jù)對未來幾步的預測，決定當前最優(yōu)走哪一步”。而常規(guī)PID控制，是根據(jù)當前和過去偏差進行控制，即“走一步，看一步”的方式。

先進控制服務器從DCSOPCServer上讀取各變量存入自己的OPC實時數(shù)據(jù)庫中，再通過運行其先進控制算法得出操作變量的給定值。為了保證操作的無擾動，在切換到先進控制前，先進控制到DCS的給定值必須跟蹤DCS中PID控制的操作變量的設定值，即控制輸出跟蹤設定值的變化，而且給定值是優(yōu)于設定值的。當控制從PID控制切換到先進控制時，通過先進控制算法，使其輸出平穩(wěn)調(diào)節(jié)到先進控制計算的預期輸出值，這樣就實現(xiàn)從PID控制到先進控制無擾動切換的要求，保證了工藝操作平穩(wěn)安全。

通過應用以上技術(shù)措施，加熱爐的過量空氣系數(shù)由1.4下降到1.1，排煙溫度由300℃下降到170℃，效率由75%提高到81%，提高了6個百分點，單臺爐預計年節(jié)氣4.8×104m3。

3 結(jié)論與展望

1）在加熱爐煙道出口安裝煙氣含氧量、排煙溫度及爐膛負壓檢測控制系統(tǒng)是解決目前加熱爐熱效率低的一個有效辦法。

2）通過實施先進控制，應用預測控制技術(shù)，將節(jié)能指標納入控制器設計的控制策略，控制輸出跟蹤設定值的變化，實現(xiàn)了超前調(diào)節(jié)；實現(xiàn)加熱爐熱效率的在線優(yōu)化，節(jié)約了燃料，保障后續(xù)生產(chǎn)的平穩(wěn)運行。

3）將工業(yè)控制與優(yōu)化控制技術(shù)緊密結(jié)合，符合遠程監(jiān)控生產(chǎn)、節(jié)約人力資源的發(fā)展方向，對提高企業(yè)現(xiàn)代化管理水平及管理效率有一定的參考價值。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2012.09.021

2012-07-15）

葛延峰，1999年畢業(yè)于齊齊哈爾大學，2009年畢業(yè)于浙江大學，碩士研究生，現(xiàn)從事地面工程管理工作，地址：黑龍江省大慶油田有限責任公司第五采油廠，163001。